Электропитающие устройства и линии автоматики, телемеханики и связи

Мостовая схема — выпрямитель

Меньшего напряжения на входе: требует мостовая схема двух-полупериодного выпрямителя ( рис. 5.5 6), в которой ток через нагрузку протекает в каждый полупериод в одном направлении через разные пары диодов.
 

Соотношения между токами и напряжениями для мостовой схемы выпрямителя определяются очень легко.
 

Вы правильно считаете, что в мостовой схеме выпрямителя наиболее целесообразно использовать полупроводниковые диоды. Применение в этой схеме кенотронов и газотронов сопряжено с определенными трудностями питания цепей накала. Дело в том, что катоды вентилей, включенных в мостовую схему выпрямителя, могут находиться под разными потенциалами, отличающимися на сравнительно большую величину приложенного напряжения. Действительно, в полупериод, когда ток проходит через вентили / и 3, катод вентиля 3 находится под потенциалом нижнего зажима вторичной обмотки трансформатора, а катоды всех остальных вентилей — под потенциалом верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора. В другой полупериод, когда ток проходит через вентили 2 и 4, катод вентиля 4 находится под потенциалом верхнего, а катоды других вентилей — под потенциалом нижнего зажима вторичной обмотки трансформатора. Поэтому в случае кенотронов и газотронов цепи накала должны питаться от отдельных обмоток трансформатора.
 

Кроме того, наличие полупроводниковых диодов в мостовой схеме выпрямителя, содержащей четыре вентиля, целесообразно и с экономической точки зрения, так как полупроводниковые вентили значительно дешевле кенотронов и газотронов, рассчитанных на ту же мощность.
 

Как подбирают тип полупроводниковых вентилей для работы в мостовой схеме выпрямителя.
 

С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в мостовой схеме выпрямителя.
 

После подбора по заданным значениям U0 и / 0 элементов мостовой схемы выпрямителя соединяют их между собой в соответствии с рис. 12.1. Проверив собранную схему, приступают к ее опробованию.
 

Выпрямительные столбы используют в высоковольтных выпрямителях, а блоки — в мостовых схемах выпрямителей и схемах удвоения выпрямленного напряжения. Параметры и ВАХ столбов в блоков те же, что и у выпрямительных диодов.
 

Во-первых, вследствие того, что кенотроны имеют большое внутреннее сопротивление, а в мостовой схеме выпрямителя в проводящий полупериод ток проходит одновременно через два вентиля, на которых создается довольно большое падение напряжения. Во-вторых, вследствие того, что катоды четырех кенотронов, включенных в мостовую схему выпрямителя, находятся под разными потенциалами, отличающимися на величину приложенного напряжения. Поэтому при использовании кенотронов цепи накала должны питаться от отдельных обмоток трансформатора.
 

Выпрямители проверяют на наличие или отсутствие асимметрии плеч вольтметром, который подключают параллельно каждому из плеч мостовой схемы выпрямителей. Неравенство напряжений будет свидетельствовать о неисправностях, которые могут привести к резкому возрастанию фона пере-менного тока. При сильном нагреве диодов выпрямителя ( пробой одного плеча) их выпаивают из схемы и проверяют омметром на прямое и обратное сопротивление.
 

Блок питания БП-2 отличается от БП-1 типом силового трансформатора ( ТСА-310 вместо ТС-330) и применением мостовой схемы выпрямителей вместо двухполупе-риодной.
 

Какие бывают выпрямители

Построение устройств, выпрямляющих переменный ток, базируется на функции итогового агрегата. При необходимости только выравнивать колебания сборка на печатных платах производится за счет неуправляемых полупроводниковых элементов – диодов. Таким образом строятся простейшие выравнивающие элементы.

При необходимости изменений уровня мощности, которая передается на принимающее оборудование, устройство собирают с использованием контролируемых вентилей (тиристоров). Такие выпрямители тока требуются для работы некоторых двигателей, работающих за счет электричества. За счет регулировки подаваемого напряжения изменяется скорость вращения ротора.

N-фазные выпрямители

В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.

Действие схемы

Действие схемы 3-фазного полностью контролируемого мостового выпрямителя описывается в этой странице. Трехфазный полностью контролируемый мостовой выпрямитель может быть сконструирован, используя шесть тиристоров. Можно видеть, что напряжение фазы А является наивысшим из трех фазных напряжений, когда Θ находится между 30° и 150°.

Также можно видеть, что напряжение фазы В является наивысшим трехфазных напряжений, когда Θ находится в между 150 и 270° и что напряжение фазы С является наивысшим из фазных напряжений, когда Θ находится между 270 и 390° или 30° в следующем цикле.

Напряжение фазы А является самым низким трехфазных напряжений, когда Θ находится между 210 и 330°. Можно также видеть, что напряжение фазы В является самым низким из фазных напряжений, когда Θ находится между 330 и 450° или 90° в следующем цикле, и что напряжение фазы С является самым низким, когда Θ находится 90 и 210°.

Если используются диоды, диод d1 вместо s1 проводил бы напряжение от 30 до 150°, диод d3 проводил бы от 150 до 270° и диод d5 – от 270 до 390° или 30° в следующем цикле. Таким же образом, диод d4 проводил бы от 210 до 30°, диод d6 – от 330 до 450° или 90° в следующем цикле, и диод d2 проводил бы от 90 до 210°. Положительный рельс выходного напряжения моста соединяется с наивысшими сегментами конверта трехфазных напряжений и отрицательного рельса выведенного напряжения к самым низким сегментам конверта.

На любой момент кроме переходных периодов, когда электрический ток перемещен от одного диода к другому, только одна из следующих пар работает в каждый момент.

Будет интересно Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

Если используются тиристоры, их включение может быть задержано выбором нужного угла открытия. Когда тиристоры открываются при угле 0, выход из мостового выпрямителя такой же, как из схемы с диодами. Например, видно, что d1 начинает проводить только после Θ = 30°. Действительно, он может начать проводить только после Θ = 30°, так, как он реверсивно направлен до Θ = 30°. Смещение через d1 становится равным 0, когда Θ = 30° и диод d1 начинает становиться прямонаправленным только после Θ = 30°.

Когда Va(Θ)= E*sin (Θ), диод d1 обратно направлен перед Θ = 30° и прямонаправлен когда Θ = 30°. При нулевом угле открытия тиристоров s1 открывается, когда Θ = 30°. Это означает, что если синхронизирующий сигнал нужен для открытия s1, то сигнальное напряжение Va(Θ) отстает на 30° и если угол открытия Θ, тиристор s1 запущен, когда Θ = α + 30°. Предоставляют, что проводимость непрерывна, следующая таблица представляет пару тиристоров в проводимости в любой момент.

Работа мостового выпрямителя иллюстрируется с помощью апплета, который следует за этим параграфом. Вы можете установить угол открытия в рамках 0° < угол открытия < 180° и вы также можете установить мгновенный угол.

Апплет показывает пару тиристоров в проводящем состоянии в выбранный момент. Путь электрического тока показывается в красном цвете на схеме. Мгновенный угол может быть набран в его текстовом поле, или изменен перемещением кнопки линии прокрутки. Вращающаяся векторная диаграмма весьма полезна, чтобы иллюстрировать, как работает схема. Как только угол открытия установлен, позиция вектора для угла открытия установлен.

Выпрямитель трехфазный большой мощности

Затем с изменением мгновенного угла проводящая пара соединяется с толстыми оранжевыми дугами. (на рисунке) Один способ представить себе – вообразить две щетки, которые являются 120° шириной и устройство в фазе соединенное с поведением щеток.

Щетка, которая имеет “угол открытия” написано рядом она действует как щетка соединенная с положительным рельсом и другая действует как будто бы она соединена с отрицательным рельсом. Эта диаграмма иллюстрирует, как схема выпрямителя действует как коммутатор и преобразует переменный ток в постоянный. Выходное напряжение определяется амплитудой фазового напряжения, являясь единым значением.

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Основные характеристики

И отдельные диоды, и промышленные диодные сборки описываются стандартным набором технических характеристик:

• это напряжение обратной полярности, которое можно, не опасаясь пробоя, приложить к устройству;
• величина тока обратной полярности, который безопасно можно пропустить по устройству;
• длительность протекания тока по устройству без его перегрева;
• максимальная температура устройства, при которой оно сохраняет свою работоспособность;
• максимальная допустимая частота проходящего тока.

ФОТО: go-radio.ruВариант изображения моста на принципиальной электрической схемеФОТО: go-radio.ruСборка «Диодный мост» на печатной плате

Трехфазные выпрямители

Среди трехфазных схем наибольшее распространение получили однонаправленная схема выпрямления или схема Миткевича и мостовая схема, известная также как схема Ларионова.

Рассмотрим сначала однонаправленную схему выпрямителя.

В однонаправленной схеме вторичные обмотки трехфазного трансформатора соединены звездой. К фазам а, b и с подключены диоды Д1, Д2 и Д3, катоды которых соединены в точке . Нагрузка Rн подключена между общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора и общей точкой присоединения катодов.

Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод Д2, затем Д3 и т.д.

Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и следовательно ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.

Пульсация тока в такой схеме будет относительно невелика, что понижает требования к сглаживающему фильтру. Недостатком данной схемы, также как однофазной однополупериодной является намагничивание сердечника трансформатора.

Большее распространение в трехфазных выпрямителях получила мостовая схема Ларионова, так как она лишена недостатков однотактной схемы.

В такой схеме одновременно пропускают ток два диода — один с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода. Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.

В интервал времени t1-t2 пропускать ток будут диоды Д1 и Д4, так как наибольший положительный потенциал имеет анод фазы а, а наибольшим отрицательным потенциалом обладает катод фазы b. В интервале t2-t3 пропускать ток будут диоды Д1-Д6, в интервале t3-t4 — Д3-Д6, в интервале t4-t5 — Д3-Д2, в интервале t5-t6 — Д5-Д2 и в последнем интервале — Д5-Д4.

Таким образом напряжение на нагрузке будет иметь вид шести пульсаций за период, а интервал проводимости каждого диода — 2π/3. При этом интервал совместной работы двух диодов — π/6. Среднее значение напряжения на нагрузке будет:

  где U2 — действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения практически равно максимальному линейному напряжению питающей сети:

где Uab.m — максимальное линейное напряжение вторичной обмотки.

Из достоинств схемы нужно отметить то, что в такой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже, чем у однофазной двухполупериодной схемы и составляет 0,057.

На основе этой схемы можно создать двенадцати, восемьнадцати, двадцатичетырехфазные выпрямители. Для этого используются различные сочетания последовательного и параллельного соединения схем. Чем больше будет фаз и соответственно пар диодов, тем меньше будут выходные пульсации.

Кроме этих схем, могут применяться и управляемые схемы выпрямления, которые наряду с выпрямлением переменного тока обеспечивают и регулировку выходного напряжения (тока). Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z_н=R_н.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R_н.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U_d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление R_н, то и ток в нем i_{d ,} будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

• значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
• максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
• средней силой выпрямленного тока;
• материалом прибора и типом монтажа.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

• оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
• минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
• ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Трехфазный прибор (схема Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.2, а) можно рассматривать как со­единение двух трехфазных выпрямителей с нулевым выводом, у одного из которых диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную группу, а у другого диоды VD2, VD4, VD6 обра­зуют анодную группу. Трансформаторы у этих выпрямителей совмещены в один. При работе мостовой схемы ток проводят всегда два диода; один в анодной, а другой – в ка­тодной группе.

В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, по­тенциал которого по отношению к средней точке трансформатора выше (более поло­жительный) потенциала анода других диодов. В анодной группе проводит тот диод, по­тенциал, которого ниже (более отрицателен) по отношению к потенциалам катодов других диодов.

Например, в момент времени θ = θ₁ (рис. 2.2, б) в катодной группе про­водит диод VD1, в анодной – VD6. Переход тока с диода на диод в обоих группах происходит в точках естественной коммутации К₁, К₂, К₃,…, А_1, А₂, А₃ и т.д. Порядок вступления диодов в работу соответствует их номерам.

Таким образом, по отношению к нулевой точке трансформатора потенциал общих катодов из­меряется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей кривых фазных напряжений u_a, u_b, u_c.

Мгновенное выпрямленное напряжение u_d  мостового выпрямителя равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, за­ключенным между верхней и нижней огибающими. Пульсации выпрямленного напряжении u_d и тока i_d  a, при активной нагрузке ключ К замкнут происходят с шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через диод показана на рис. 2.2, в, г, при ак­тивной нагрузке выпрямителя r_в и работе выпрямителя на обмотку возбуждения (см. рис. 2.2 в, штриховая линия). Обратное напряжение имеет форму, как в нулевой схеме, но в два раза меньшей амплитуды. Ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает дважды за пе­риод в противоположных направлениях. В связи с этим в мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора.

Форма первичного тока находится из условия компенсации магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток при соединении первичной обмотки в звезду. Выпрямитель при этом на­гружен на обмотку возбуждения.

Расчетные соотношения для мостовой схемы нахо­дятся из общих формул (2.1 – 2.8), при m = 6. При сравнительном анализе трехфазной нулевой и мостовой схем можно сделать те же выводы, что и для соответствующих однофазных схем.

Улучшение гармонического состава кривых выпрямленного напряжения и сете­вого тока достигается в многофазных схемах выпрямления, используемых для машин большой мощности. На практике широко применяют двенадцатифазные схемы вы­прямления (m = 12), образованные последовательным или параллельным соединением двух мостовых выпрямителей.

Расчет выпрямителей

Распространенные схемы двухполупериодных выпрямителей

Данные схемы лежат в основе многих источников питания, применяемых в радиоэлектронике и других технических областях. Таким образом, обеспечивается постоянное напряжение питания электронных устройств, технологических процессов, электромашинных приводов механизмов. Чтобы правильно эксплуатировать выпрямители, необходимо хорошо знать их основные свойства.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от средней точки

Основными преимуществами данной схемы считается более высокий коэффициент эксплуатации вентилей по току, сниженная расчетная мощность трансформатора, низкий коэффициент, определяющий пульсацию выпрямленного напряжения.

Однако в этой схеме вентили недостаточно используются по напряжению. Само устройство обладает высоким обратным напряжением, поступающим на выпрямительные диоды. В схеме используется более сложная конструкция трансформатора.

Двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель

Главным преимуществом мостового выпрямителя считается повышенный коэффициент применения вентилей по напряжению. В схеме используется трансформатор с меньшей расчетной мощностью и очень простой конструкцией. Данные выпрямители нашли широкое применение в установках малой и средней мощности.
Главным недостатком мостовой схемы является необходимость строгой симметрии напряжений на каждой обмотке и применение двух обмоток вместо одной. На диодах возникает большое обратное напряжение. В сравнении с предыдущей схемой выпрямителя, требуется в два раза больше диодов, однако значение общего сопротивления постоянному току во многих случаях оказывается меньше, чем сопротивление выпрямителя со средней точкой.

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением напряжения

Данная схема используется в случае возникновения проблем с намоткой вторичной обмотки, состоящей из множества витков, или при обмотке действующего трансформатора с недостаточным напряжением. В схеме удвоения применяется нагрузочная характеристика с круто падающим графиком. Пульсации выпрямленного тока сглаживаются конденсаторами.

Серьезным недостатком считается возможный взрыв электролитического конденсатора под действием переменного напряжения в случае пробоя одного из диодов. Представленная схема не может быть использована для получения напряжения на выходе более 200-300В из-за возможного пробоя изоляции между нитью накала и катодами в кенотроне.

Двухполупериодный выпрямитель с умножением напряжения

Представленная схема дает возможность получать высокое напряжение без использования высоковольтного трансформатора. В ней используются конденсаторы с рабочим напряжением 2Ет, независимо от того, во сколько раз умножилось значение напряжения.

Данная схема двухполупериодного выпрямителя имеет недостаток в виде разрядки конденсаторов при включении нагрузочного сопротивления. С уменьшением сопротивления нагрузки увеличивается скорость разрядки конденсаторов, снижается их напряжение. Использование этой схемы нерационально при незначительных сопротивлениях нагрузок.